物理半导体器件物理PPT学习教案

1、会计学1物理半导体器件物理物理半导体器件物理理想理想MOS二极管二极管MOS二极管在半导体器件物理中的重要地位 便于研究半导体表面特性 是先进IC中最重要的MOSFET器件的枢纽 可作为储存电容器，并且是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分当金属板相对于欧姆接触为正偏压时，V0；当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V0 半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图 5. 1半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管

2、的剖面图MOS)b(图 5. 1MOSMOS二极管二极管第1页/共71页功函数(金属:qm;半导体:qs)为费米能级与真空能级之间的能量差；q为电子亲和力，即半导体中导带边缘与真空能级的差值；qB为费米能级EF与本征费米能级Ei的能级差 理想理想MOS二极管定义：二极管定义： (1)在V=0时，金属与半导体功函数差为零(EF半导体=EF金属 ，qms= 0 ) ，能带是平的 (称为平带状况) 真空能级mqsq金属型半导体Pd氧化层FEFEVEiECE2/gEBqq图 5. 2 V=0 时理想 MOS二极管的能带图0)2()(BgmsmmsqEqqqqq(2)在V0时，二极管中的电荷仅位于半导体

3、之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，但极性相反；(3)在直流偏压下，无载流子通过氧化层，亦即R氧化层 = 。MOSMOS二极管二极管V=0时，理想p型MOS二极管的能带图第2页/共71页在SiO2-Si界面处产生空穴堆积，称为积累现象积累现象。此时，|Qm| = Qs 当一理想MOS二极管偏压V 0时，半导体表面可能会出现三种状况以p型半导体为例：(1) 当V 0 且较小时，半导体表面的能带将向下弯曲，使表面EF = Ei，形成多数载流子(空穴)耗尽，称为耗尽现象耗尽现象。此时， np = pp = ni ， Qsc= qNAW，其中W为表面耗尽区的宽度 (3) 当V 0 且较大时，

4、能带向下弯曲更严重使表面Ei ni 而 pp 空穴，使表面载流子呈现反型，称为反型现象反型现象 第4页/共71页反型现象分为：弱反型 和 强反型 当 ni np NA 时，处于强反型。发生强反型后：(1) 反型层的宽度 xi 1nm 10nm，且xi 0在半导体表面= s 0 ，s称为表面电势表面载流子密度为： kTqnnBsis(expkTqnpsBis)(expMOSMOS二极管二极管FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层第6页/共71页

5、对表面电势可以区分为以下几种情况： ss0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； s=B： 禁带中心，即nspsni(本征浓度)； sB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)电势为距离的函数，可由一维的泊松方程式求得为 ssxdxd)(22其中s(x)为位于x处的单位体积电荷密度，而s为介电常数 MOSMOS二极管二极管FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层第7页/共71页耗尽近似法进行分析：当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为s= -qNAW，

6、积分泊松方程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布： 表面电势s为 此电势分布与单边的n+-p结相同。 21WxssAsWqN22当s=B时， nspsni ，可看作表面开始发生反型当sB时， ns ps ，表面处于反型当sB 多大程度时，表面处于强反型状态，还需要一个准则MOSMOS二极管二极管FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层第8页/共71页设定表面电荷等于衬底杂质浓度是一个简单的准则，即ns=NA.可得可见：需要1B ，将表面的

7、能带弯曲至本征的条件(Ei=EF)，开始发生反型需要2B，才能将表面的能带弯曲至强反型的状态 ns=NAkTqnNBiAexpiABsnNqkTinvln22)( 当表面为强反型时，表面的耗尽区宽度达到最大值即当s=s(inv)= 2B时，可得到表面耗尽区的最大宽度Wm ABsAssmqNqNinvW)2(2)(2sAsWqN22FEVEiECE半导体表面gEBqq) 0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq) 0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq) 0(SSqix半导体氧化层MOSMOS二极管二极管kTqnnBsis)(expAiAsmNqnN

8、kTW2)/ln(2)2(2BAsmAscNqWqNQ第9页/共71页 由公式可以看出， Wm与半导体材料的种类、杂质的掺杂浓度具有函数关系。硅和砷化镓中Wm与杂质浓度的关系如图，且p型半导体中NB等于NA，n型半导体中NB等于ND。 MOSMOS二极管二极管SiGaAs1410151016101710181001. 01 . 017103Bcm/N杂质浓度最大耗尽区宽度m/mmWAiAsmNqnNkTW2)/ln(2第10页/共71页其中E0为氧化层中的电场，Qs为半导体中每单位面积的电荷量，而C0=ox/d为每单位面积的氧化层电容其相对应的静电势分布如图(d)所示 二、理想二、理想MOS曲

9、线曲线在 qms= 0 时，外加的电压部分降落在氧化层，部分降落在半导体，因此 其中Vo为降落在氧化层上的电压，且由图(c)可得 soVVOsoxsOoCQdQdEVFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ电场分布)(

10、cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ电场分布)(cd0WxVoVS)(x电势分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x电势分布)(d图 5. 6MOSMOS二极管二极管第11页/共71页由上式和 MOS二极管的总电容C是由氧化层电容C0与半导体中的势垒电容Cj相互串联而成，如图。 其中Cj=s/W，也和突变p-n结一样 )/(2cmFCCCCCjojoTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 .

11、 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d图的频率效应VCb)(图 5.7可以消去W而得到电容的公式为 sAsWqN22soVVOsoxsOoCQdQdEV)/(211222cmFdqNVCCsAoxoMOSMOS二极管二极管第12页/共71页当强反型发生时，表面耗尽区宽度达到最大Wm，表面电势达到s(inv)，且注意每单位面积的电荷为qNAWm

12、，可得在强反型刚发生时的金属平行板电压，称为阈值电压： 可见，V 0，且当表面开始耗尽时，产生空间电荷区，形成势垒电容Cj ，C与V成反比当V 0， n型衬底的VT 0 MOSMOS二极管二极管第14页/共71页当测量频率足够低时，使得表面耗尽区内的产生-复合率与电压变化率相当或是更快时，电子浓度(少数载流子)与反型层中的电荷可以跟随交流的信号因此导致强反型时的电容只有氧化层电容C0总电容的测量当测量频率相当高时，才会在金属平行板上施加的测量电压发生变化过程中，所有增加的电荷出现在耗尽区的边缘，测得准确的CminTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoC

13、jCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d图的频率效应VCb)(图 5.7MOSMOS二极管二极管右图为在不同频率下所测得的MOS的C-V曲线，低频的曲线发生在100Hz 时第15页/共71页解：例2：一理想MOS二极管的NA=1

14、017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的最小电容值SiO2的相对介电常数为3.9。 272714/1090. 6/1051085. 89 . 3cmFcmFdCoxocmcmNqnNkTWAiAsm517199171421010106 . 11065. 910ln026. 01085. 89 .112)/ln(225714min/1019 .11/9 . 31051085. 89 . 3)/(cmFWdCmsoxox）（在VT时的最小电容Cmin 28/101 . 9cmF因此Cmin约为C0的13MOSMOS二极管二极管第16页/共71页 对所有的MOS二极管而言，金属-SiO2-

15、Si为最受广泛研究SiO2-Si系统的电特性近似于理想的MOS二极管 实际的金属电极，功函数差一般不为零(EF Si EF金属，qms 0 ) ，而且在氧化层内部或SiO2-Si界面处存在的不同电荷，使热平衡时的能带不是平的 (不是平带状况) 一、功函数差一、功函数差 qms= q (m- s)金属电极种类不同， qm不同。金属种类一定时，qms还会随着半导体的掺杂浓度而改变。 SiO2-Si MOS二极管二极管 （实际（实际MOS二极管）二极管）0 . 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 12 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 1131014101

16、610151017101810)Sin(p多晶)Sip(p多晶)Sin(n多晶)Sip(n多晶)Sin(Al)Sip(Al3Bcm/N图 5. 8 铝、及多晶硅栅极材料的功函数差为衬底杂质浓度的函数pn图 5. 8 铝、及多晶硅栅极材料的功函数差为衬底杂质浓度的函数pnV/msMOSMOS二极管二极管随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，qms可能会有超过2V的变化第17页/共71页 考虑一在独立金属与独立半导体间的氧化层夹心结构，如图(a)。在此独立状态下，所有的能带均保持水平，即平带状况当三者结合在一起，在热平衡状态下，费米能级 = 定值，且真空能级必为连续，为调节功函数差，半导体能带需向下

17、弯曲，如图(b)因此在热平衡状态下，金属含正电荷，而半导体表面则为负电荷为达到理想平带状况，需外加一相当于功函数差qms的电压，此对应至图(a)的状况，在此需在金属外加一负电压VFB=ms，此电压称为平带电压平带电压 2SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能级mqSqCEFEVEVEFE真空能级间夹氧化物的能带图独立金属与独立半导体)(a二极管的能带图热平衡下的MOS)(b图 5. 92SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能级mqSqCEFEVEVEFE真空能级真空能级间夹氧化物的能带图独立金属与独立半导体)(a二极管的能带图热平衡下的MOS)(b图 5. 92SiOV

18、ESipVECEFEFEmqSqCE真空能级mqSqCEFEVEVEFE真空能级间夹氧化物的能带图独立金属与独立半导体)(a二极管的能带图热平衡下的MOS)(b图 5. 92SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能级mqSqCEFEVEVEFE真空能级真空能级间夹氧化物的能带图独立金属与独立半导体)(a二极管的能带图热平衡下的MOS)(b图 5. 9MOSMOS二极管二极管第18页/共71页 MOS二极管还受氧化层内的电荷以及SiO2-Si界面陷阱的影响这些基本的陷阱与电荷的类型包括：界面陷阱电荷、氧化层固 定 电 荷 ( f i x e d o x i d e charge)、氧化

19、层陷阱电荷以及可动离子电荷 二、界面陷阱与氧化层电荷二、界面陷阱与氧化层电荷 ：MOSMOS二极管二极管aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷第19页/共71页 (1) 界面陷阱电荷Qit是由SiO2-Si界面特性所造成，且与界面处的化学键有关这些陷阱位于SiO2-Si界面处，而其能量则位于硅的禁带中。这些界面陷阱密度(即每单位面积与单位电子伏特的界面陷阱数目)与晶体方向有关在100方向，其界面陷阱密度约比111方

20、向少一个数量级.目前在硅基上采用热氧化生成二氧化硅的MOS二极管中所产生的大部分界面陷阱，可用低温450的氢退火加以钝化在100方向的Qit/q值可以小于1010cm-2,大约为每105个表面原子会存在一个界面陷阱电荷.在111方向的硅衬底中,Qit/q约为1011cm-2 MOSMOS二极管二极管aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷第20页/共71页 (2) 氧化层固定电荷Qf位于距离SiO2-Si界面约3nm

21、处此电荷固定不动，且即使表面电势有大范围的变化仍不会有充放电现象发生一般来说，Qf为正值，且与氧化、退火的条件以及硅的晶体方向有关一般认为当氧化停止时，一些离子化的硅留在界面处，而这些离子与表面未完全成键的硅结合(如Si-Si或Si-O键)，可能导致正的界面电荷Qf产生 Qf可视为是SiO2-Si界面处的片电荷层对小心呵护处理的SiO2-Si界面系统而言，其氧化层固定电荷量在方向表面约为1010cm-2，而在方向表面约为51010cm-2由于方向具有较低的Qit与Qf，所以常用硅基MOSFET MOSMOS二极管二极管aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属

22、2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷第21页/共71页 (3) 氧化层陷阱电荷Qot常随着二氧化硅的缺陷产生，这些电荷可由如X光辐射或是高能量电子轰击而产生这些陷阱分布于氧化层内部，大部分与工艺有关的Qot可以低温退火加以去除 ( 4 ) 钠或其他碱金属离子的可动离子电荷Qm，在高温(如大于100)或强电场的工作条件下，可在氧化层内移动 在高偏压及高温的工作环境下，由碱金属离子所造成的污染，可能会引发半导体器件稳定度的问题在这些情况之下，可动离子电荷可以在氧化层内来回地移动，并使得C-V

23、曲线沿着电压轴产生位移因此，在器件制作的过程中需特别注意以消除可动离子电荷 MOSMOS二极管二极管aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷aNK可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷第22页/共71页 下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响考虑如图中位于每单位面积氧化层内固定电荷的正片电荷Qo，如图上半部所示，这些正的片电荷将在金属与半导体内感应一些负电荷对泊松方程式做一次积分，可以得到电场的分布情形，如图下半部所示此处我们假设没有功函数差，即qms=0。

24、 0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响MOSMOS二极管二极管第23页/共71页 为达到平带状态(即半导体内无感应电荷)，必须在金属上施加一负电压，如图所示当负电压增加时，金属获得更多的负电荷，因此电场向下偏移，直到半导体表面的电场

25、为零在此条件之下，电场分布的面积即为平带电压VFB： dCxQxQxEVOOOooxOOOFB 因此，平带电压与片电荷密度Qo及其在氧化层中的位置xo有关当片电荷非常靠近金属时，即xo =0，则将无法在硅基中感应电荷，且不会对平带电压造成影响。反之，当片电荷非常靠近半导体时，即xo =d，就如同氧化层固定电荷一般，将具有最大的影响力，并将平带电压提升为 0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 x

26、dSi0s氧化层0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s金属氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSi0s氧化层0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平带条件下)(b图 5. 11 氧化层中片电荷的影响0000CQdCdQVFBMOSMO

27、S二极管二极管第24页/共71页 对一般任意分布于氧化层中的空间电荷而言，平带电压可表示为 其中(x)为氧化层中的体电荷密度倘若知道氧化层陷阱电荷的体电荷密度ot(x) ，以及可动离子电荷的体电荷密度m(x) ，就可以得到Qot与Qm以及它们对于平带电压的贡献： dFBdxxxdCV00)(11dxxxdQdtt000)(1dxxmxdQdm0)(1假使功函数差qms的值不为零，且若界面陷阱电荷的值可以忽略不计，由实验测得的电容-电压曲线将会从理想的理论曲线平移一个数值， OotmfmsFBCQQQVMOSMOS二极管二极管第25页/共71页 图中(a)为一理想MOS二极管的C-V特性.由于受

28、非零值的qms、Qf、Qm与Qot的影响，C-V曲线将平行偏移平移的C-V曲线如图中(b)所示此外若存有大量的界面陷阱电荷，这些位于界面陷阱处的电荷将随表面电势而变，C-V曲线会随其表面电势的变化而改变，因此由于界面陷阱电荷， C-V曲线变为图中(c)所示， C-V曲线不但会扭曲变形，而且会产生偏移 MOSMOS二极管二极管)(a)(b)(c0VV05 . 00 . 1)(a)(b)(c0VV05 . 00 . 1C-V0/CC0/CC第26页/共71页例3：试计算一NA1017cm-3及d=5nm的n+多晶硅-SiO2-Si二极管的平带电压假设Qt与Qm在氧化层中可被忽略，且Qf/q为5l0

29、11cm-2 解：由图可知，在NA=1017cm-3时，对n+多晶硅系统而言，其ms为-0.98eV，且0 . 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 12 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 1131014101610151017101810)Sin(p多晶)Sip(p多晶)Sin(n多晶)Sip(n多晶)Sin(Al)Sip(Al3Bcm/N图 5. 8 铝、及多晶硅栅极材料的功函数差为衬底杂质浓度的函数pn图 5. 8 铝、及多晶硅栅极材料的功函数差为衬底杂质浓度的函数pnV/ms272714/1090. 6/1051085. 89 . 3cmFcm

30、FdCoxo00CQQQVtmfmsFBVVV10. 1109 . 6105106 . 198. 071119所以MOSMOS二极管二极管第27页/共71页例4：假设在氧化层中的氧化层陷阱电荷Qot的单位体积电荷密度ot(y)为一个三角形分布，此分布情形可用(1018-51023x)cm-3函数加以描述，其中x为所在位置与金属-氧化层界面间的距离氧化层厚度为20nm.试计算因Qot所造成的平带电压的变化量 解：由得到dFBdxxxdCV00)(11dxxxdQdtt000)(161020)(1dxxxddCQVotoxOotFBV362326181419)102(10531)102(10211

31、085. 89 . 3106 . 1V31. 0和MOSMOS二极管二极管第28页/共71页 电荷耦合器件的结构如图所示，其器件是由覆盖于半导体衬底上的连续绝缘层(氧化层)上的紧密排列的MOS二极管阵列所组成CCD可以实现包含影像感测以及信号处理等广泛的电子功能CCD的工作原理牵涉到电荷储存以及由栅极电压控制的输运行为图中显示对CCD施加一足够大的正偏压脉冲于所有的电极之上，以使其表面发生耗尽电荷耦合器件电荷耦合器件 (CCD)一较高的偏压施加于中央的电极上，使中央的MOS结构有较深的耗尽区，并形成一电势阱亦即由于中央电极下方较深的耗尽层而产生一个中央呈深阶状的电势分布此时所感应生成的少数载流

32、子(电子)，则会被收集至这个电势阱中。2)(高压加于a2SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO输运加更高电压，以使电荷3)(b图 5. 13三相电荷耦合器件的剖面图2)(高压加于a2SiOSipV51V102V532)(高压加于a2SiOSipV51V102V532SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO输运加更高电压，以使电荷3)(bSipV51V102V1532SiOSipV51V102V1532SiO输运加更高电压，以使电荷3)(b图 5. 13三相电荷耦合器件的剖面图MOSMOS二极管二极管第29页/共71页 假使右侧电极上的电

33、压增加到超过中央电极的电压时，我们可以得到如图(b)所示的电势分布。在此情况之下，少数载流子将由中央电极转移至右侧电极。随后，电极的电势可重新调整，使得静止的储存状态位于右侧的电极由这一连串连续的过程，我们可以成功地沿着一线性阵列传送载流子 电荷耦合器件电荷耦合器件 (CCD)MOSMOS二极管二极管2)(高压加于a2SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO输运加更高电压，以使电荷3)(b2)(高压加于a2SiOSipV51V102V532)(高压加于a2SiOSipV51V102V532SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO输运加更高

34、电压，以使电荷3)(bSipV51V102V1532SiOSipV51V102V1532SiO输运加更高电压，以使电荷3)(b第30页/共71页MOSFET有许多种缩写形式，如IGFET、MISFET、MOST等MOSFET为四端点器件，n沟道MOSFET的透视图如图所示由一个有两个n+区域(即源极与漏极)的p型半导体所组成 氧化层上方的金属称为栅极(gate)，高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅可作为栅极电极，第四个端点为一连接至衬底的欧姆接触(p沟道MOSFET的源漏区分？)基本的器件参数有沟道长度L(为两个n+-p冶金结之间的距离)、沟道宽度Z、氧化层厚度d、结深度rj以及衬底掺杂浓度NA.

35、 器件中央部分即为MOS二极管 MOSFETMOSFET基本原理基本原理2SiOLnnjrZdp衬底z)(yEy)(xEx源极栅极漏极2SiOLnnjrZdp衬底衬底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源极栅极漏极第31页/共71页MOSFET中源极接地点作为电压的参考点当栅极无外加偏压时(VG=0)，源极到漏极电极之间可视为两个背对背相接的p-n结，而由源极流向漏极的电流只有反向漏电流MOSFET的基本特性的基本特性 当外加一足够大的正电压于栅极上时(VG 0,且VG VT) ，MOS结构将被强反型，以致于在两个n+型区域之间形成表面反型层即沟道源极与漏极通过这一导电的表面n型沟道相

36、互连结，并可允许大电流流过沟道的电导可通过栅极电压的变化来改变沟道中载流子的浓度加以调节衬底接点可连接至参考电压或相对于源极的反向偏压，衬底偏压亦会调节VT的大小而影响沟道电导 MOSFETMOSFET基本原理基本原理L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIDIDV低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIDIDVL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI

37、L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIDIDVDIDV低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0DIDV0过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性第32页/共71页 前提： VG VT 若在漏

38、极加一小量电压VD较小 ，电子将会由源极经沟道流向漏极(对应电流为由漏极流向源极)因此，沟道的作用就如同电阻一般，漏极电流ID与漏极电压VD成比例，此即如图(a)右侧恒定电阻直线所示的线性区线性区一、输出特性一、输出特性（通过沟道电导来推导）（通过沟道电导来推导） ：L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIDIDV低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VD

39、IDIDVL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIDIDVDIDV低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点DIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0DIDV0过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V

40、特性MOSFETMOSFET基本原理基本原理沟道呈现电阻特性，当漏-源电流通过沟道电阻时将在其上产生电压降。沟道上存在的电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源端到漏端逐渐减小，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相等。第33页/共71页 当VD持续增加，直到漏端绝缘层上的有效电压VT时，在靠近y=L处的反型层厚度xi0，此处称为夹断点P，此时的漏-源电压称为饱和电压VDsat。L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLp过

41、饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的I-V 特性L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLp过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的I-V 特性DIDVDIDVDIDVDIDVD

42、IDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0当VDVDsat超过夹断点后，漏极的电流量IDsat基本上维持不变，因为当时，在P点的电压VDsat保持固定MOSFETMOSFET基本原理基本原理第34页/共71页 沟道被夹断后，若VG不变，则当漏极电压持续增加时，超过夹断点电压VDsat的那部分即VDS-VDsat将降落在漏端附近的夹断区上，因而夹断区将随VDS的增大而展宽，夹断点P随之向源端移动，但由于P点的电压保持为VDsat不变，反型层内电场增强而同时反型载流子数减少，二者共同

43、作用的结果是单位时间流到P点的载流子数即电流不变。一旦载流子漂移到P点，将立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏源电流，而且该电流不随VDS的增大而变化，即达到饱和。此即为饱和区，饱和区，如图(c)所示L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLp过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和

44、区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLp过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性DIDVDIDVDIDVDIDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0MOSFETMOSFET基本原理基本原理当然，如果VDS过大，漏

45、端p-n结会发生反向击穿。第35页/共71页为推导出基本的MOSFET特性，将基于下列的理想条件： (1)栅极结构如理想MOS二极管，即无界面陷阱、固定氧化层电荷或功函数差； (2)仅考虑漂移电流； (3)反型层中载流子的迁移率为固定值； (4)沟道内杂质浓度为均匀分布； (5)反向漏电流可忽略； (6)沟道中由栅极电压所产生的垂直于ID电流方向的电场远大于由漏极电压所产生的平行于ID电流方向的电场 最后的一个条件称为缓变沟道近似法，通常可适用于长沟道的MOSFET中，基于此种近似法，衬底表面耗尽区中所包含的电荷量仅由栅极电压产生的电场感应所生成 MOSFETMOSFET基本原理基本原理第36

46、页/共71页 图(a)为工作于线性区的MOSFET根据上述的理想条件，如图(b)所示，在半导体中距离源极长度为y处的每单位面积所感应的电荷，其为图(a)中间的放大部分，由式可得 单位面积感应电荷量QSDInn源极GVDVdyp沟道耗尽区DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区)(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c图 5.16 (a) MOSFET工作与线性区(b) 沟道的放大图(c) 沿沟道的漏极压降soVVOsoxsOoCQdQdEV和 0)()(CyVyQSGS 其中s(y)为位于y处的表面电势，而Co=ox/d为每单位面积的

47、栅极电容MOSFETMOSFET基本原理基本原理第37页/共71页 由于QS为反型层中每单位面积电荷量Qn与表面耗尽区中每单位面积的电荷量QSC的总和，所以我们可以得到 将上式代入前式可得 DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区)(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c图 5.16 (a) MOSFET工作与线性区(b) 沟道的放大图(c) 沿沟道的漏极压降反型层的表面电势s(y)2B+V(y)，其中V(y)为y点与源极电极(可视为接地)间的反向偏压，如图(c)所示表面耗尽区内的电荷Qsc(y)如

48、前所述可表示为 )()()()()(yQCyVyQyQyQscosGscsn)(22)(yVqNWqNyQBASmAsc)(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGnMOSFETMOSFET基本原理基本原理第38页/共71页沟道中在y处的电导率可近似为 积分项为反型层中单位面积中的总电荷量，即 DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区)(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c图 5.16 (a) MOSFET工作与线性区(b) 沟道的放大图(c) 沿沟道的漏极压降对一固定的迁移率而言，沟道电导

49、可表示为 )()()(xxqnxnmiixxndxxqnLZdxxLZg00,)()(mnxiQdxxqn0)(所以nnQLZgm每一基本片段dy(如图(b)的沟道电阻为 )(yQZdygLdydRnnmMOSFETMOSFET基本原理基本原理第39页/共71页此基本片段上的电压降为 代入上式，并由边界条件：源极(y=0，V=0)积分至漏极(y=L，V=VD)可得 ID与VG、VD的关系式DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区DInn源极GVDVdyp沟道耗尽区)(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c图 5.16 (a) MOSF

50、ET工作与线性区(b) 沟道的放大图(c) 沿沟道的漏极压降其中ID为与y无关的漏极电流将式)(IdVDyQZdyIdRnnDm)(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGn)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第40页/共71页当VD很小时，处于线性区，式下图为根据上式所得到的理想MOSFET的电流-电压特性曲线对一已知的VG而言，漏极电流一开始会随漏极电压线性增加(线性区)，然后逐渐水平，最后达到一饱和值(饱和区)虚线指出当电流达到最大值时的漏极电压( 即VDsat )的轨迹 线性区饱和区V10TG

51、VV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891图 5.17理想化的 MOSFET 的漏极特性，于时漏极电流为一常数DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm可简化为 ,)(I0DDTGnVVVCLZm)(TGDVVV)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第41页/共71页为阈值电压，画出ID对VG的曲线(对一已知的小VD而言)，此曲线称

52、为转移转移特性特性曲线，阈值电压可以由对VG轴线性外插得出在线性区，沟道电导gD以及跨导gm可表示为 其中 BBAsTCqNV2)2(20)(0TGnVDDDVVLCZVIgGm常数DnVGDmVCLZVIgD0m常数MOSFETMOSFET基本原理基本原理0TVDIVG线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891图 5.17理想化的 MOSFET 的漏极特性，于时漏极电流为一常数DsatDVVV

53、/DV)/(0DLCZIm,)(I0DDTGnVVVCLZm)(TGDVVV第42页/共71页将上式代入式当VD VDsat时，则达到饱和区在Qn(L)=0的条件下，由式线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891图 5.17理想化的 MOSFET 的漏极特性，于时漏极电流为一常数DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm得到VDsat的值为 )(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGn)

54、/211 (222KVKVVGBGDsat0CqNKAs)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第43页/共71页对一处于饱和区的理想MOSFET而言，沟道电导为零，且跨导由最上面式子得到：对低衬底掺杂与薄氧化层而言，饱和区的VT与线性区的相同线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891线性区饱和区V10TGVV的轨迹对VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891图 5.17理想化的 MOS

55、FET 的漏极特性，于时漏极电流为一常数DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm可得饱和电流为 202TGnDsatVVLCZIm在高掺杂浓度下，VT变得与VG有关 BBAsTCqNV2)2(20)(TGoxnVGDmVVdLZVIgDm常数MOSFETMOSFET基本原理基本原理第44页/共71页所以例5：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其栅极氧化层厚8nm，NA=1017cm-3且VG=3V，试计算其VDsat。 解： 2727140/1032. 4/1081085. 89 . 3cmFcmFdCox3 . 01032. 410106 . 11085. 89 .11

56、71719140CqNKAs，VVnNqkTinviABs84. 01065. 910ln026. 02ln22)(917VVVVVKVKVVGBGDsat51. 1)65. 084. 03() 3 . 0/(3211 ) 3 . 0(84. 03)21 (22222MOSFETMOSFET基本原理基本原理第45页/共71页 依据反型层的形式，MOSFET有四种基本的形式假如在零栅极偏压下，沟道的电导非常低，必须在栅极外加一正电压以形成n沟道，则此器件为增强型(或称常关型)n沟道MOSFET如果在零偏压下，已有n沟道存在，而必须外加一负电压来排除沟道中的载流子，以降低沟道电导，则此器件为耗尽型

57、(或称常开型)n沟道MOSFET同样也有p沟道增强型与耗尽型MOSFET 需注意的是，对增强型nMOSFET而言，必须施加VD VT的正栅极偏压，才能有显著的漏极电流流通对耗尽型nMOSFET而言，在VG=0时已有大量电流流通，且变动栅极电压可以增减其电流以上的讨论在改变极性后，亦可适用于p沟道器件 MOSFET的种类的种类 MOSFETMOSFET基本原理基本原理第46页/共71页MOSFETMOSFET基本原理基本原理类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型GnnpDDI沟道nGnnpDDIGppnDDIGppnDDI沟道pDI0D

58、V123V4GVDI0DV20V1GV10DIDV123V4GVDI0DV120V1GV0TnVDITpV0GVDI0TnVDIGV0GVDI类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型GnnpDDIGnnpDDI沟道nGnnpDDIGnnpDDIGppnDDIGppnDDIGppnDDI沟道pGppnDDIGppnDDI沟道pDI0DV123V4GVDI0DV123V4GVDI0DV20V1GV1DI0DV20V1GV10DIDV123V4GV0DIDV123V4GVDI0DV120V1GVDI0DV120V1GV0TnVDI0TnVDI

59、TpV0GVDITpV0GVDI0TnVDIGV0TnVDIGV0GVDI0GVDI第47页/共71页 阈值电压是MOSFET最重要的参数之一，理想的阈值电压如式阈值电压控制阈值电压控制 然而，当考虑固定氧化层电荷以及功函数差时，将会有一平带电压偏移除此之外，衬底偏压同样也能影响阈值电压当一反向偏压施加于衬底与源极之间时，耗尽区将会加宽，欲达到反型所需的阈值电压必须增大，以提供更大的Qsc。实际的阈值电压为： BBAsTCqNV2)2(200)2(22CVqNVVBSBAsBFBT其中VBS为反向衬底-源极偏压 。MOSFETMOSFET基本原理基本原理在理想情况的基础上增加了两个影响因素第4

60、8页/共71页 精确控制集成电路中各MOSFET的阈值电压，对可靠的电路工作而言是不可或缺的一般来说，阈值电压VT的调整方法是：(1) 将离子注入沟道区如：穿过表面氧化层的硼离子注入通常用来调整n沟道MOSFET的阈值电压这种方法可以精确地控制杂质的数量，所以阈值电压可得到严格的控制带负电的硼受主增加沟道内掺杂的水平，因此VT将随之增加相同地，将少量的硼注入p沟道MOSFET，可降低VT的绝对值右图为不同掺杂浓度的VT。0 . 00 . 10 . 20 . 30 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910多晶p多晶p多晶n多晶n禁带中心禁带中心NMOSPMOS0